Studiuesit kapin protonet në aktin e shkëputjes me ‘kamerën elektronike’ ultra të shpejtë

Shkencëtarët kanë kapur në veprim atomet e hidrogjenit që lëvizin me shpejtësi – çelësat e reaksioneve të panumërta biologjike dhe kimike.

Një ekip i udhëhequr nga studiues në Laboratorin Kombëtar të Përshpejtuesit SLAC të Departamentit të Energjisë dhe Universitetin Stanford përdori difraksionin ultra të shpejtë të elektroneve (UED) për të regjistruar lëvizjen e atomeve të hidrogjenit brenda molekulave të amoniakut. Të tjerë kishin teorizuar se mund të gjurmonin atomet e hidrogjenit me difraksion elektronik, por deri më tani askush nuk e kishte bërë eksperimentin me sukses.

Rezultatet, të publikuara në Physical Review Letters , shfrytëzojnë fuqitë e elektroneve me energji të lartë Megaelektronvolt (MeV) për studimin e atomeve të hidrogjenit dhe transferimeve të protoneve, në të cilat protoni njëjës që përbën bërthamën e një atomi hidrogjeni lëviz nga një molekulë në tjetrën.

Transferimet e protoneve nxisin reaksione të panumërta në biologji dhe kimi – mendoni enzimat, të cilat ndihmojnë në katalizimin e reaksioneve biokimike dhe pompat e protonit, të cilat janë thelbësore për mitokondritë, qendrat e fuqisë së qelizave – kështu që do të ishte e dobishme të dihet saktësisht se si evoluon struktura e tij gjatë atyre reaksioneve. Por transferimet e protoneve ndodhin shumë shpejt – brenda disa femtosekondave, një e milionta e një miliarda e një sekonde. Është sfiduese t’i kapësh në veprim.

Një mundësi është të shkrepni me rreze X në një molekulë, më pas të përdorni rrezet X të shpërndara për të mësuar rreth strukturës së molekulës ndërsa ajo evoluon. Mjerisht, rrezet X ndërveprojnë vetëm me elektronet – jo bërthamat atomike – kështu që nuk është metoda më e ndjeshme.

Për të arritur tek përgjigjet që kërkonin, një ekip i udhëhequr nga shkencëtari SLAC, Thomas Wolf, vuri në punë MeV-UED, kamerën ultra të shpejtë të difraksionit të elektroneve të SLAC. Ata përdorën amoniak të fazës së gazit, i cili ka tre atome hidrogjeni të lidhur me një atom azoti . Ekipi goditi amoniakun me dritën ultravjollcë , duke shkëputur ose thyer një nga lidhjet hidrogjen-azoti, më pas lëshoi ​​një rreze elektronesh përmes saj dhe kapte elektronet e difraktuara.

Ata jo vetëm që kapën sinjale nga hidrogjeni që ndahej nga bërthama e azotit, ata gjithashtu kapën ndryshimin e lidhur në strukturën e molekulës. Për më tepër, elektronet e shpërndara u shpërndanë në kënde të ndryshme, kështu që ata mund të ndajnë dy sinjalet.

“Të kesh diçka që është e ndjeshme ndaj elektroneve dhe diçka që është e ndjeshme ndaj bërthamave në të njëjtin eksperiment është jashtëzakonisht e dobishme,” tha Wolf. “Nëse ne mund të shohim se çfarë ndodh së pari kur një atom shkëputet – nëse bërthamat apo elektronet bëjnë lëvizjen e parë për t’u ndarë – ne mund t’i përgjigjemi pyetjeve se si ndodhin reaksionet e disociimit.”

Me këtë informacion, shkencëtarët mund të mbyllen me mekanizmin e pakapshëm të transferimit të protonit, i cili mund të ndihmojë për t’iu përgjigjur pyetjeve të panumërta në kimi dhe biologji. Njohja se çfarë bëjnë protonet mund të ketë implikime të rëndësishme në biologjinë strukturore, ku metodat tradicionale si kristalografia me rreze X dhe mikroskopia krio-elektronike kanë vështirësi të “shikojnë” protonet.

Në të ardhmen, grupi do të bëjë të njëjtin eksperiment duke përdorur rreze X në lazerin me rreze X të SLAC, Burimi Koherent i Dritës Linac (LCLS), për të parë se sa të ndryshëm janë rezultatet. Ata gjithashtu shpresojnë të rrisin intensitetin e rrezes së elektroneve dhe të përmirësojnë zgjidhjen kohore të eksperimentit në mënyrë që ata të mund të zgjidhin hapat individualë të disociimit të protonit me kalimin e kohës.